DE19647185A1

DE19647185A1 - Apparatus for determining the concentration of ozone in air

Info

Publication number: DE19647185A1
Application number: DE19647185A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Staeger; Anthony Dr Delany; Gerd Uhlmann; Reinhold Dr Busen; Hans Dr Guesten; Michael Nolle
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: FI974239A7; FI974239A0; US5923037A; DE19647185C2

Abstract

An apparatus for determining the concentration of ozone in air using surface chemiluminescence includes a fan (13), a chemiluminescence element (8), a photo-multiplier (6), a light emitting diode (LED) (15), a temperature sensor (16), and an electronic controller (12). In the apparatus, an air stream generated by the fan is conveyed via an inlet pipe (7) and a light trap system (17) downstream of it through a nozzle-shaped channel structure (2) on a metal block (9). The temperature sensor (16) and the LED (15) are installed in the metal block, and a chemiluminescence platelet (8) is attached to the underside of the block (9) as a chemiluminescence element. A window (16) is provided in the photo-multiplier (6)opposite the chemiluminescence platelet (8).Also claimed is application of the apparatus by installation in a drop sonde.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft unter Nutzung der Oberflächen-Chemilumineszenz.The invention relates to a device for determining the ozone concentration in Air using surface chemiluminescence.

In der Klimaforschung oder in der routinemäßigen Wetterbeobachtung ist häufig eine Messung von Ozonvertikalprofilen in der Atmosphäre erforderlich. Über leicht zugänglichen Gebieten erfolgt die Messung üblicherweise mit Ballonsonden vom Boden aus. Über schwer zugänglichen Gebieten, wie Wüsten, Ozeanen und Polar gebieten, ist die Messung von Ozonvertikalprofilen mit Ballonsonden meist un praktikabel oder unmöglich. Hier erfolgt die Messung meist vom Flugzeug aus.In climate research or in routine weather observation is common a measurement of ozone vertical profiles in the atmosphere is required. About easy Accessible areas are usually measured with balloon probes from Floor out. Over difficult to reach areas such as deserts, oceans and polar areas, the measurement of ozone vertical profiles with balloon probes is mostly un practical or impossible. Here the measurement is usually carried out from the aircraft.

In diesen Fällen werden Lidarmethoden oder andere Ozonsensoren vom Flugzeug aus benutzt. Die Lidarmethoden sind aufwendig, nicht immer verfügbar und ihr Einsatz ist durch Wolken eingeschränkt. Bei anderen Ozonsensoren im Flugzeug müssen zum Messen von Ozonvertikalprofilen aufwendige Flugmanöver durchge führt werden.In these cases, lidar methods or other ozone sensors are removed from the aircraft used from. The lidar methods are complex, not always available and you Use is restricted by clouds. With other ozone sensors in the aircraft have to go through complex flight maneuvers to measure ozone vertical profiles leads.

Eine effiziente Alternative bieten vom Flugzeug abzuwerfende Dropsonden mit einem geeigneten Ozonsensor. Solche Dropsonden wurden von der Anmelderin (DLR) und dem National Center of Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, USA entwickelt.Drop probes to be thrown from the aircraft are an efficient alternative a suitable ozone sensor. Such drop probes have been developed by the applicant (DLR) and the National Center of Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, USA developed.

Die Dropsonden werden von hochfliegenden Forschungsflugzeugen abgeworfen. Einige Sekunden nach dem Abwurf öffnet sich ein Fallschirm der Sonde und sie schwebt an dem Fallschirm zu Boden. Die Dropsonde mißt während des Flugs kontinuierlich meteorologische Größen und überträgt die gemessenen Daten zum Flugzeug.The drop probes are dropped by high-flying research aircraft. A few seconds after the drop, a parachute of the probe opens and it floats to the ground on the parachute. The drop probe measures during the flight continuously meteorological variables and transmits the measured data to the Plane.

Ozonsensoren, die speziell als Dropsondensensoren vom Flugzeug eingesetzt werden, sind der Anmelderin nicht bekannt. Es gibt jedoch Ozonsensoren, die in Ballonsonden (Radiosonden) vom Boden hochsteigen. Außerdem gibt es Ozon sensoren, die vom Boden mit Raketen in die Atmosphäre befördert werden.Ozone sensors that are used specifically as drop probe sensors from aircraft are not known to the applicant. However, there are ozone sensors that are in Balloon probes (radio probes) rise from the ground. There is also ozone sensors that are launched into the atmosphere by rockets.

Nachteile dieser Ozonsensoren im Hinblick auf einen Dropsondeneinsatz vom Flugzeug aus, sind nachstehend angeführt. Eine elektrochemische Zelle ist das bisher meistens bei Radiosonden benutzte Element zur Ozonmessung. Hierbei wird die Meßluft mit Hilfe eines motorgetrie benen Kolbens an den Boden der elektrochemischen Zelle gebracht, wo sie in Form kleiner Bläschen in eine Kaliumjodid-Lösung eingebracht wird. Dort bewirkt in der Meßluft vorhandenes Ozon eine Oxidation der in der Lösung vorhandenen Jodid-Anionen. Ein damit verbundener Elektronenfluß zwischen den Elektroden der elektrochemischen Zelle ist dann ein Maß für die Ozonkonzentration.Disadvantages of these ozone sensors with regard to the use of a drop probe Airplane off are listed below. An electrochemical cell has so far mostly been used in radio probes Element for measuring ozone. Here, the measuring air is motorized brought to the bottom of the electrochemical cell, where it Form small bubbles in a potassium iodide solution. Effected there Ozone present in the measuring air is an oxidation of those present in the solution Iodide anions. An associated flow of electrons between the electrodes the electrochemical cell is then a measure of the ozone concentration.

Bei dem Einsatz dieser Technik in Dropsonden ergeben sich im wesentlichen die folgenden Probleme. Zum einen besteht die Gefahr, daß der flüssige Elektrolyt ausläuft, da die Dropsonde nach dem Abwurf bis zum vollständigen Öffnen des Fallschirms unkontrollierte Bewegungen ausführt. Um dies zu vermeiden, wäre eine Lagestabilisierung oder ein Auslaufschutz notwendig; dies ist jedoch schwie rig zu realisieren, da das System bezüglich Meßluft offen sein muß.Using this technique in drop probes essentially results in following problems. First, there is a risk that the liquid electrolyte expires because the drop probe after dropping until the Parachute performs uncontrolled movements. To avoid this would be stabilization of the position or leakage protection necessary; however, this is difficult Rig to implement, since the system must be open with respect to measuring air.

Zum anderen liegt ein entscheidender Nachteil hinsichtlich des Einsatzes elektro chemischer Zellen in einer Dropsonde in der langen Ansprechzeit bei Ozonkonzen trationsänderungen in der Größenordnung von 20 s bis 1 min. Bei einer mittleren Dropsonden-Fallgeschwindigkeit von 20 m/s entspricht dies einer Fallstrecke von 400 m bis 1,2 km und führt somit zu einer entsprechenden Glättung des Ozonpro fils.On the other hand, there is a decisive disadvantage with regard to the use of electro chemical cells in a drop probe in the long response time with ozone concentrations changes in the order of magnitude of 20 s to 1 min. With a medium one Drop probe falling speed of 20 m / s corresponds to a falling distance of 400 m to 1.2 km and thus leads to a corresponding smoothing of the ozone pro fils.

Die Abhängigkeit der Absorption von ultraviolettem Licht von dem Ozonmi schungsverhältnis in der Meßluft wird bei der sogenannten Lichtabsorptionstech nik ausgenutzt. Bei bisher eingesetzten Systemen haben sich hinsichtlich des Ein satzes als Ozonsensor in Dropsonden folgende Nachteile herausgestellt. Für eine ausreichende Absorption bei niedrigen Drücken muß die Absorptionsstrecke eine gewisse Mindestlänge haben. Dies wiederum führt jedoch zu Abmessungen, die in einer kleinen Dropsonde nicht gegeben sind. Ferner ist das Gewicht von bekann ten UV-Absorptionssensoren für einen Einsatz bei Dropsonden zu hoch. Außer dem sind die UV-Absorptionssensoren zu teuer, um in einem Art "Einwegpro dukt", wie beispielsweise einer Dropsonde, sinnvoll eingesetzt zu werden.The dependence of the absorption of ultraviolet light on the ozonium ratio in the measuring air is so-called light absorption technology not exploited. With previously used systems have with regard to the one set as the ozone sensor in drop probes highlighted the following disadvantages. For one sufficient absorption at low pressures, the absorption path must be have a certain minimum length. However, this in turn leads to dimensions that in a small drop probe are not given. Furthermore, the weight of is known UV absorption sensors too high for use with drop probes. Except the UV absorption sensors are too expensive to do so in a kind of "disposable pro product ", such as a drop probe, to be used sensibly.

Bei der Oberflächen-Chemilumineszens-Technik werden farbstoffbeschichtete Kieselgelplättchen verwendet, die mitunter auch als Target bezeichnet sind. Bei einer Reaktion zwischen den Plättchen und Ozonmolekülen der Meßluft wird Licht ausgesendet, dessen Intensität proportional zu der Ozonkonzentration ist. Hier bei wird die Lichtintensität mit einem Photomultiplier gemessen. Das Ansprechen der Chemilumineszenz-Reaktion ist sehr kurz und liegt beispielsweise bei 0,1 s.Surface chemiluminescent technology uses dye-coated coatings Silica gel platelets used, which are sometimes referred to as target. At a reaction between the platelets and ozone molecules in the measuring air turns light emitted, the intensity of which is proportional to the ozone concentration. Here at the light intensity is measured with a photomultiplier. The response the chemiluminescence reaction is very short and is, for example, 0.1 s.

Die Chemilumineszenz-Technik ist in verschiedenen Ozonsensoren angewendet. Am ähnlichsten zum Anmeldungsgegenstand ist die vom Kernforschungszen trum Karlsruhe, 1990 angemeldete Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Ozon in Luft (Deutsches Gebrauchsmuster G 90 02 078.2). Die kleinste und leichteste Weiterentwicklung dieses Systems stammt von der Firma GfAS (Gesell schaft für angewandte Systemtechnik) und wird in Lizenz für Radiosonden ange boten.The chemiluminescence technique is used in various ozone sensors. The most similar to the subject of registration is that of the Nuclear Research Center trum Karlsruhe, 1990 registered device for measuring the concentration of ozone in air (German utility model G 90 02 078.2). The smallest and The easiest further development of this system comes from the company GfAS (Gesell for applied system technology) and is licensed for radio probes offered.

In Fig. 3 ist eine Ausführung eines von GfAS hergestellten Ozonsensors wiederge geben. Allerdings ist auch dieser Sensor allein schon wegen seiner Abmessungen (Länge/Höhe/Tiefe) von 180/230/150 mm und wegen seines Gewichts in der Größenordnung von etwa 800 g ungeeignet.In Fig. 3 an embodiment of an ozone sensor manufactured by GfAS is given again. However, this sensor is unsuitable for its dimensions (length / height / depth) of 180/230/150 mm and its weight of around 800 g.

Bei diesem Ozonsensor wird ozonhaltige zu messende Luft mit Hilfe eines Venti lators 34 in Richtung eines Pfeils III angesaugt und an einem Chemilumines zenz-Plättchen 33 vorbeigeleitet. Das Plättchen 33 reagiert mit dem Ozon in der Meß luft und gibt Licht 35 ab, dessen Intensität proportional zu Ozonkonzentration ist. Die abgegebene Lichtintensität wird mittels eines Photomultiplier 32 gemes sen. Durch im Strömungskanal eingebaute Lichtfallen 31 wird im wesentlichen Ta geslicht von der eigentlichen Meßkammer ferngehalten.In this ozone sensor, ozone-containing air to be measured is sucked in with the aid of a ventilator 34 in the direction of an arrow III and is guided past a chemiluminescence plate 33 . The plate 33 reacts with the ozone in the measuring air and emits light 35 , the intensity of which is proportional to the ozone concentration. The emitted light intensity is measured by means of a photomultiplier 32 . Light traps 31 installed in the flow channel essentially keep Ta away from the actual measuring chamber.

Hinsichtlich einer Strömungscharakteristik ist festgestellt worden, daß unterhalb einer kritischen Überströmgeschwindigkeit des Chemilumineszenz-Plättchens das Ausgangssignal der chemischen Reaktion proportional zu der Masse des Ozons in der vorbeiströmenden Meßluft ist. (Siehe hierzu Schurath, U. et al "Principle and Application of a fast sensor for atmospheric ozone", Fresenius, J. Anal, Chem., 340, 544-547 von 1991). Das Ausgangssignal ist dann jedoch geschwindigkeits abhängig.With regard to a flow characteristic, it has been found that below a critical overflow rate of the chemiluminescent plate Output signal of the chemical reaction proportional to the mass of the ozone in of the measuring air flowing past. (See Schurath, U. et al "Principle and Application of a fast sensor for atmospheric ozone ", Fresenius, J. Anal, Chem., 340, 544-547 of 1991). However, the output signal is then speed dependent.

Oberhalb dieser kritischen Geschwindigkeit (der Mindestgeschwindigkeit) ist das Ausgangssignal geschwindigkeitsunabhängig und nur von der Ozonkonzentration in der Meßluft abhängig. Um die jeweilige Mindestgeschwindigkeit sicher zu über schreiten, sind in den bisherigen Sensorsystemen deren Bauteile ausreichend groß dimensioniert.That is above this critical speed (the minimum speed) Output signal independent of speed and only on the ozone concentration dependent in the measuring air. In order to safely exceed the respective minimum speed step, their components are sufficient in the previous sensor systems large size.

Bei den bisher eingesetzten Sensorsystemen wird die Druck- und Feuchte-Abhän gigkeit der Chemilumineszenz-Reaktion durch Korrekturpolynome korrigiert. Die Temperaturabhängigkeit wird bei bestehenden Systemen dadurch umgangen, daß Chemilumineszenz-Reaktion durch eine geregelte elektrische Heizung auf kon stanter Temperatur gehalten wird. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch nachtei lig hinsichtlich Gewicht, Größe sowie hinsichtlich des elektrischen Leistungsbe darfs des Sensors aus und sind daher in einer Dropsonde nicht praktikabel. Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Berücksichtigung und Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile und Probleme eine Vorrichtung zur Bestim mung von Ozonkonzentration in Luft zu schaffen, die nicht nur insbesondere in einer Dropsonde unterzubringen ist und auch den beim Abwurf einer Sonde und während deren Sinkflug auftretenden mechanischen Beanspruchung standhält, sondern auch in sehr kurzer Zeit räumlich und zeitlich hoch aufgelöste sowie ge naue Ozonvertikalprofile liefert.With the sensor systems used so far, the pressure and humidity depend corrected chemiluminescence response by correction polynomials. The Temperature dependency is avoided in existing systems in that Chemiluminescence reaction by a controlled electrical heating on kon constant temperature is maintained. However, these measures have a negative effect lig in terms of weight, size and electrical power of the sensor and are therefore not practical in a drop probe. The object of the invention is therefore, taking into account and avoiding the Disadvantages and problems listed above a device for determination creation of ozone concentration in air, not only in particular a drop probe is to be accommodated and also when a probe and withstands mechanical stress during its descent, but also in a very short space of time and space provides accurate ozone vertical profiles.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der Ozonkon zentration in Luft durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.According to the invention, this is in a device for determining the ozone concentration concentration in air by the features in the characterizing part of claim 1 reached. Advantageous further developments are the subject of claims 2 to 4th

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen un ter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zei gen:In the following, the invention is described based on preferred embodiments ter explained in detail with reference to the accompanying drawings. It shows gene:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figure 1 is a schematic sectional view of a preferred embodiment of the device according to the invention.

Fig. 2 eine schematische Signalverarbeitungs- und Kontrollschaltung für die Vorrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 2 is a schematic signal processing and control circuit for the device according to the invention, and

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer herkömmlichen GfAS-Ozonson de. Fig. 3 is a schematic sectional view of a conventional GfAS-Ozonson de.

In Fig. 1 sind in einer Schnittansicht schematisch die wesentlichen Elemente eines in einer Dropsonde unterbringbaren Ozonsensors wiedergegeben. In einem in Fig. 1 unteren Teil eines vorzugsweise aus schwarzem Polyvinylchlorid (PVC), Teflon (eingetragene Marke) u.ä. hergestellten Sensorgehäuses 1 ist ein Photo multiplier 6 der FA. Hamamatsu R 931A mit einem in Fig. 1 rechts angedeuteten Sockel E717.-35 untergebracht.In Fig. 1, the essential elements of an ozone sensor which can be accommodated in a drop probe are shown schematically in a sectional view. In a lower part in Fig. 1, preferably made of black polyvinyl chloride (PVC), Teflon (registered trademark) and the like. Sensor housing 1 is a photo multiplier 6 of the FA. Hamamatsu R 931A housed with a base E717.-35 indicated on the right in FIG. 1.

Am in Fig. 1 linken oberen Ende des Sensorgehäuses 1 ist ein Ansaugrohr 7 sche matisch dargestellt, das vorzugsweise ebenfalls aus schwarzem Teflon (eingetra gene Marke) oder auch aus schwarzem PVC oder ähnlichem Material besteht. Dem Ansaugrohr 7 sind im oberen Teil des Sensorgehäuses 1 schematisch ange deutete Lichtfallen nachgeordnet, wobei das Lichtfallensystem so aufgebaut und ausgeführt ist, daß die Luftwege entlang des Luftmeßweges, wobei die Strö mungsrichtung der Luft durch einen Pfeil 1 im Ansaugrohr angedeutet ist, gleich groß oder größer sind wie bzw. als der Querschnitt des Ansaugrohrs 7, das bei spielsweise einen Innendurchmesser in der Größenordnung von 12 mm aufweist.At the top left in Fig. 1 of the sensor housing 1 , a suction pipe 7 is shown matically, which is preferably also made of black Teflon (registered trademark) or of black PVC or similar material. The intake pipe 7 are arranged in the upper part of the sensor housing 1 schematically indicated light traps, the light trap system being constructed and constructed such that the airways along the air measurement path, the direction of flow of the air being indicated by an arrow 1 in the intake pipe, are of the same size or are larger than or than the cross section of the suction pipe 7 , which has an inner diameter in the order of magnitude of 12 mm for example.

In Strömungsrichtung gesehen, ist dem Lichtfallensystem 17 ein Metallblock 9 nachgeordnet, der, was in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, von einer düsenartig wirkenden Kanalstruktur 2 umgeben ist. Die düsenartig wirkende Kanalstruktur 2 weist vorzugsweise eine solche Geometrie auf, daß der Eintrittsquerschnitt zum Austrittsquerschnitt etwa in der Größenordnung von 2 : 1 liegt hierdurch ist die für einen Ozonsensor gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung erforderliche Mindestgeschwindigkeit von 80 cm/s über einem auf der Unterseite des Metall blocks 9 angebrachten Chemilumineszenz-Plättchen 8 erreicht.Seen in the direction of flow, the light trap system 17 is followed by a metal block 9 , which, as indicated by dashed lines in FIG. 1, is surrounded by a channel structure 2 which acts like a nozzle. The channel structure 2 , which acts like a nozzle, preferably has a geometry such that the inlet cross section to the outlet cross section is approximately in the order of magnitude of 2: 1, which means that the minimum speed required for an ozone sensor according to the embodiment of the invention is 80 cm / s above that on the underside of the metal blocks 9 attached chemiluminescent plates 8 reached.

Im dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 abgewandten oberen Teil des Metallblocks 9 sind ein Temperatursensor 16 sowie eine als Referenzlichtquelle dienende licht emittierende Diode (LED) 15 untergebracht. Auf der in Fig. 1 rechten Seite der LED 15 ist in dem Metallblock 9 und in der anschließenden Wandung 14' zur Hal terung des Metallblock 9 eine im Querschnitt vorzugsweise kreisförmige Aus trittsöffnung 3 für Licht von der LED 15 ausgebildet. Die Oberseite des Sensor gehäuses 1 ist durch einen Deckel 14 abgeschlossen.In the upper part of the metal block 9 facing away from the chemiluminescence plate 8 , a temperature sensor 16 and a light-emitting diode (LED) 15 serving as a reference light source are accommodated. On the right in Fig. 1 of the LED 15 is in the metal block 9 and in the adjacent wall 14 'for holding the metal block 9 a cross-section preferably circular from opening 3 for light from the LED 15 is formed. The top of the sensor housing 1 is closed by a cover 14 .

Nach dem in der düsenförmig ausgebildeten Kanalstruktur 2 untergebrachten Me tallblock 9 ist im oberen Abschnitt des Gehäuses 1 ein in Fig. 1 schematisch an gedeuteter Luftströmungskanal 18 vorgesehen, an dessen in Fig. 1 rechten Ende ein Ventilator 13 angeordnet ist. Als Ventilator 13 ist ein Ventilatortyp Sunol Mo dell 1212 PFB2 verwendet, der für 12 V ausgelegt, jedoch bei dem erfindungsge mäßen Ozonsensor mit 16 V betrieben wird.After accommodated in the nozzle-shaped channel structure 2 tallblock 9 is in the upper portion of the housing 1 in Fig. 1 schematically indicated air flow channel 18 is provided, at the right end in Fig. 1, a fan 13 is arranged. A fan type Sunol Mo dell 1212 PFB2 is used as fan 13 , which is designed for 12 V, but is operated with 16 V in the case of the ozone sensor according to the invention.

Der Ventilator weist eine optimierte Düsengeometrie in der Weise auf, daß des sen Eintrittsquerschnitt zu dessen Austrittsquerschnitt in der Größenordnung von etwa 2 : 1 liegt in einer realisierten Ausführungsform beträgt der Eintritts querschnitt 110 mm² und der Austrittsquerschnitt des Ventilators 13 beträgt 62 mm. Auf diese Weise konnte die erforderliche Mindestgeschwindigkeit von 80 cm/s über dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 erreicht werden.The fan has an optimized nozzle geometry in such a way that its inlet cross section to its outlet cross section is of the order of magnitude of approximately 2: 1. In a realized embodiment, the inlet cross section is 110 mm ² and the outlet cross section of the fan 13 is 62 mm. In this way, the required minimum speed of 80 cm / s over the chemiluminescent plate 8 could be achieved.

Gleichzeitig ist mit der geschaffenen Düsengeometrie eine Optimierung erreicht, die zwischen einer maximal mit diesem Ventilatortyp erreichbaren Geschwindig keit und einem steigenden Strömungswiderstand bei kleinerem Düsenausgangs querschnitt liegt.At the same time, an optimization is achieved with the created nozzle geometry, between a maximum speed that can be achieved with this fan type speed and increasing flow resistance with a smaller nozzle outlet cross section lies.

In Fig. 2 sind die wesentlichen elektronischen Bauelemente einer Schaltungsanord nung für eine Signalverarbeitung und -kontrolle der bevorzugten Ausführungs form der in einer Dropsonde unterbringbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Am Eingang 23 der Schaltungsanordnung liegen die Ausgangssigna le von dem Photomultiplier 6 an, die über entsprechend dimensionierte und be messene Operationsverstärker 21 und 22 übertragen und verstärkt werden und am Signalausgang 40 anliegen.In Fig. 2, the essential electronic components of a circuit arrangement for signal processing and control of the preferred embodiment form of the device that can be accommodated in a drop probe according to the invention are described. At the input 23 of the circuit arrangement, the output signals from the photomultiplier 6 are present , which are transmitted and amplified via appropriately dimensioned and measured operational amplifiers 21 and 22 and are present at the signal output 40 .

Für eine Temperaturkalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ferner eine lichtemittierende Diode (LED) 25 sowie ein Temperatursensor 26 (beispiels weise LM35CZ) vorgesehen. Der LED 25 sind eine Diode 27 und ein Widerstand 28 vorgeschaltet, wodurch Schwankungen der Versorgungsspannung keine Schwankungen an der Lichtintensität bewirken. Ferner ist ein elektrisches Steuer chip 24 vorgesehen. Die Spannungsversorgung der LED 25 und des Temperatur sensors 26 erfolgt über eine 12 V-Batterie, deren Energie am Eingang 29 zugeführt wird. Die einzelnen Bauelemente sind, wie in Fig. 2 dargestellt, mitein ander verbunden.A light-emitting diode (LED) 25 and a temperature sensor 26 (for example LM35CZ) are also provided for temperature calibration of the device according to the invention. A diode 27 and a resistor 28 are connected upstream of the LED 25 , as a result of which fluctuations in the supply voltage do not cause any fluctuations in the light intensity. Furthermore, an electrical control chip 24 is provided. The voltage supply to the LED 25 and the temperature sensor 26 takes place via a 12 V battery, the energy of which is supplied at the input 29 . The individual components are, as shown in Fig. 2, connected to each other.

Der untere Teil des Sensorgehäuses 1, in welchem der Photomultiplier 6 unterge bracht ist, ist durch eine Zwischenwandung 3 von dem Gehäusebereich getrennt, in welchem beispielsweise der Metallblock 9 untergebracht ist. Unterhalb des auf der Unterseite des Metallblocks 9 angebrachten Chemilumineszenz-Plättchens 8 ist in der Zwischenwandung 3 eine Glasscheibe 4 vorgesehen, gegenüber der Glasscheibe 4 ist in der Oberseite des Photomultipliers 6 gegenüberliegend zu dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 ein Fenster 60 vorgesehen.The lower part of the sensor housing 1 , in which the photomultiplier 6 is housed, is separated by an intermediate wall 3 from the housing area in which, for example, the metal block 9 is accommodated. A glass pane 4 is provided in the intermediate wall 3 below the chemiluminescent plate 8 attached to the underside of the metal block 9, and a window 60 is provided opposite the glass plate 4 in the upper side of the photomultiplier 6 opposite the chemiluminescent plate 8 .

Aufgrund des sehr kleinen Raumbedarfs und des niedrigen Gesamtgewichts der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft und im Hinblick auf den vergleichsweise sehr geringen Energiebedarf kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Dropsonde untergebracht werden.Due to the very small space requirement and the low total weight of the Device according to the invention for determining the ozone concentration in air and in view of the comparatively very low energy requirement, the Device according to the invention can be accommodated in a drop probe.

Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für einen Einbau und eine Ver wendung bei einer Dropsonde konzipiert ist, muß ebenso wie bei den bisher in der Chemilumineszenz-Technik verwendeten Ozonsensoren eine Meßempfindlichkeit ε₀ unter Normalbedingungen, d. h. bei einem Druck von 1013 hPA und einer Tem peratur von 20°C, bestimmt werden. Zur Bestimmung der Meßempfindlichkeit ε wird nacheinander Luft mit unterschiedlichen Ozonmischungsverhältnissen durch den Ozonsensor geleitet und es werden die zugehörigen Ausgangsspannungen des Photomultipliers 6 gemessen. Hierbei läßt sich die Meßempfindlichkeit ε un ter Normalbedingungen dann folgendermaßen bestimmen:
Also in the device according to the invention, which is designed for installation and use with a drop probe, as with the ozone sensors previously used in chemiluminescence technology, a measuring sensitivity ε ₀ under normal conditions, ie at a pressure of 1013 hPA and a tem temperature of 20 ° C, can be determined. To determine the measurement sensitivity ε, air with different ozone mixing ratios is passed through the ozone sensor in succession and the associated output voltages of the photomultiplier 6 are measured. The measurement sensitivity ε can then be determined under normal conditions as follows:

Hierbei sind die Lichtintensität der Chemilumineszenz-Reaktion am Chemilumi neszenz-Plättchen 8 und damit die Ausgangsspannung bzw. die Meßempfindlich keit des Photomultipliers 6 temperaturabhängig. Bei den bisher eingesetzten Ozonsensoren (siehe die Ausführungen von Schurath et al sowie das eingangs angeführte Gebrauchsmuster G 90 02 078.2 des Kernforschungszentrums Karls ruhe) wurde bisher die Trägerplatte auf 30°C thermostatisiert und der gesamte Aufbau durch Dämm-Materialien von der Umgebungsluft thermisch isoliert. Da bei einem Ozonsensor, der in Verbindung mit einer Dropsonde betrieben werden soll, insbesondere aus Gewichtsgründen und wegen des bei den bisher verwendeten Ozonsonden benötigten elektrischen Leistungsbedarf diese Lösung hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit nicht übernommen werden konnte, ist bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung eine zusätzliche Temperaturkalibrierung geschaffen. The light intensity of the chemiluminescence reaction on the chemiluminescence plate 8 and thus the output voltage or the measurement sensitivity of the photomultiplier 6 are temperature-dependent. With the ozone sensors used up to now (see the explanations by Schurath et al and the utility model G 90 02 078.2 of the Karlsruhe Nuclear Research Center), the carrier plate has so far been thermostatted to 30 ° C and the entire structure has been thermally insulated from the ambient air by insulating materials. Since in an ozone sensor that is to be operated in conjunction with a drop probe, in particular for reasons of weight and because of the electrical power required in the ozone probes previously used, this solution could not be adopted with regard to the temperature dependence, an additional temperature calibration is created in the device according to the invention.

Für eine Temperaturkalibrierung wurde ein der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform entsprechender Ozonsensor in einer sogenannten Klimakammer untergebracht, wobei sowohl die Temperatur der Klimakammer als auch die Tem peratur der durch den Ozonsensor geleiteten Meßluft zwischen -70°C und 40°C variiert werden konnten. Wenn nun für ein vorgegebenes Ozonmischungsverhält nis die Abhängigkeit der nun gegebenen Meßempfindlichkeit ε von der Tempera tur bestimmt wird, so ergibt sich der Zusammenhang:
For a temperature calibration, an embodiment of the ozone sensor described with reference to FIG. 1 was accommodated in a so-called climatic chamber, both the temperature of the climatic chamber and the temperature of the measuring air passed through the ozone sensor being able to be varied between -70.degree. C. and 40.degree . If the dependency of the measurement sensitivity ε now given on the temperature is determined for a given ozone mixture ratio, the relationship is:

ε(T) = ε₀(AT + B) (2)ε (T) = ε ₀ (AT + B) (2)

Hierbei sind die Koeffizienten A und B zu bestimmen. Bei Einsatz der vorstehend skizzierten Laborkalibrierung nach Gl. (2) kann in einem späteren Meßeinsatz der Ozonsonde bei einer gemessenen Temperatur des das Chemilumineszenz-Plätt chen 8 tragenden Metallblocks 9 die jeweilige Meßempfindlichkeit bestimmt wer den. Daraus kann dann mit Hilfe von Gl. (1) aus der gemessenen Ausgangsspan nung des Photomultipliers 6 das gesuchte Ozonmischungsverhältnis bestimmt werden.The coefficients A and B must be determined. When using the laboratory calibration outlined above according to Eq. (2) in a later measurement application of the ozone probe at a measured temperature of the chemiluminescence plate 8 carrying metal block 9, the respective measurement sensitivity can be determined who. With the help of Eq. (1) from the measured output voltage of the photomultiplier 6, the desired ozone mixture ratio can be determined.

Bei der bisher erläuterten Vorgehensweise ist jedoch nicht berücksichtigt, daß auch der speziell gewählte und ausgeführte Aufbau des Photomultipliers 6 und damit dessen Ausgangsspannung temperaturabhängig sind. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, insbesondere um diesen Effekt minimal zu halten und zu korrigieren, ist zum einen der elektronische Aufbau so dimensioniert, daß eine Hochspannungsversorgung des Photomultipliers 6 mit 750 V anstelle der nominell erforderlichen 1200 V ausreicht, um ein ausreichendes Ausgangssignal zu erhal ten.However, the procedure explained so far does not take into account the fact that the specially selected and implemented structure of the photomultiplier 6 and thus its output voltage are also temperature-dependent. In order to take this fact into account, in particular to keep this effect to a minimum and to correct it, on the one hand the electronic structure is dimensioned such that a high voltage supply of the photomultiplier 6 with 750 V instead of the nominally required 1200 V is sufficient to obtain a sufficient output signal ten.

Hierbei ist vorteilhaft, daß der Photomultiplier 6 bei verhältnismäßig niedriger Versorgungsspannung von 750 V erheblich weniger temperatursensitiv ist. Eben so ist bei solchen verhältnismäßig niedrigen Temperaturwerten eine Störung von anderen Dropsonden-Sensoren sowie der Telemetrie aufgrund einer Interferenz mit der Hochspannung erheblich geringer. Außerdem wird aufgrund des bei dem Ozonsensor gemäß der Erfindung vorgesehenen Aufbaus eine verbleibende Tem peraturvariation am Photomultiplier 6 ohnehin korrigiert. It is advantageous here that the photomultiplier 6 is considerably less temperature sensitive with a relatively low supply voltage of 750 V. Likewise, with such relatively low temperature values, interference from other drop probe sensors and telemetry due to interference with the high voltage is considerably less. In addition, due to the structure provided in the ozone sensor according to the invention, a remaining temperature variation on the photomultiplier 6 is corrected anyway.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die lichtemittierende Diode (LED) 15, die nur mit einer geringen Leistung versorgt werden muß, in dem Metallblock 9 integriert. Somit ist die LED 15 in thermischem Gleichgewicht mit dem Metallblock 9. Ferner ist die Temperaturabhängigkeit der Lichtintensität der LED 15 bekannt.As shown in FIG. 1, the light-emitting diode (LED) 15 , which only has to be supplied with a low power, is integrated in the metal block 9 . Thus, the LED 15 is in thermal equilibrium with the metal block 9 . Furthermore, the temperature dependence of the light intensity of the LED 15 is known.

Ist somit die LED 15 in Betrieb, so kann deren Licht durch die seitliche, für den Lichtaustritt vorgesehene Öffnung 3 (siehe Fig. 1) aus dem Block austreten, wo bei der Durchmesser der Lichtöffnung vorzugsweise bei 1 mm liegt, und die Licht intensität von dem Photomultiplier aufgenommen werden.Thus, if the LED 15 is in operation, its light can exit the block through the lateral opening 3 (see FIG. 1) provided for the light exit, where the diameter of the light opening is preferably 1 mm, and the light intensity of the photomultiplier.

Wird nunmehr während einer Ozonmessung mittels einer Dropsonde, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist, die LED 15 bei unterschied licher Meßlufttemperatur mit einer jeweils bekannten Lichtintensität betrieben, beispielsweise ein Schaltzyklus von einer Sekunde pro Minute durchgeführt, so läßt sich die Temperaturabhängigkeit des Photomultiplier-Systems nachträglich aus der per Radiotelemetrie gesendeten Meßdaten korrigieren.If, during an ozone measurement using a drop probe, which is equipped with the device according to the invention, the LED 15 is operated at different measured air temperatures with a known light intensity, for example a switching cycle of one second per minute, the temperature dependence of the photomultiplier system can be carried out subsequently correct from the measurement data sent by radio telemetry.

Die Druck- und Feuchteabhängigkeit der chemischen Reaktion bzw. der abgege benen Lichtintensität wird in ähnlicher Weise, korrigiert, wie bei Schurath et al beschrieben.The pressure and moisture dependency of the chemical reaction or the The light intensity is corrected in a similar manner as in Schurath et al described.

Claims

1. Device for determining the ozone concentration in air using surface chemiluminescence, with a fan ( 13 ), a chemiluminescent element ( 8 ), a photomultiplier ( 6 ), a light-emitting diode (LED 15 ), a temperature sensor ( 16 ) and control electronics ( 12 ), in which an air flow generated by the fan ( 13 ) slides along a metal block ( 9 ) via a suction pipe ( 7 ) and a light trap system ( 17 ) arranged downstream of it through a duct-shaped channel structure ( 2 ), in which the temperature sensor ( 16 ) and the LED ( 15 ) are housed and on the underside of which a chemiluminescent element ( 8 ) is attached as a chemiluminescent element, to which a window ( 16 ) is provided opposite in the photomultiplier ( 6 ).

2. Device according to claim 1, in which as a reference for the dependence of the output voltage of the photomultiplier ( 6 ) on the temperature of the photomultiplier ( 6 ) from a periodically switched LED ( 15 ) via an opening ( 3 ) formed in the metal block ( 9 ) Light is applied.

3. Device according to claim 1, in which an inlet cross-sectional area with respect to an outlet cross-sectional area of the fan ( 13 ) is dimensioned such that the minimum speed required for a surface chemiluminescence (80 m / s) in the measurement air stream is reached.

4. Device according to one of the preceding claims, in which wall areas of a housing ( 1 ), in which the components of the device are housed and which are exposed to the ozone-containing air flow, consist of an ozone-resistant material such as Teflon (registered trademark) and polyvinyl chloride (PVC).

5. Use of the device according to claims 1 to 4 by housing in a drop probe.